張 鵬

(江蘇澤宇電力設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

傳統(tǒng)站房部署有源傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)施和站房動(dòng)環(huán)主機(jī)，傳感器需外接電源線、信號(hào)線，部署極不方便，視頻監(jiān)控僅作為事后回看等作用而不能充分發(fā)揮價(jià)值，動(dòng)環(huán)主機(jī)采集匯聚協(xié)議未完全統(tǒng)一。數(shù)據(jù)之間相互割裂沒有有效融合，且未能發(fā)揮數(shù)據(jù)一次采集、多次利用的目標(biāo)。

隨著輸、變、配電物聯(lián)網(wǎng)無線傳感技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和智能巡視系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，通過無源傳感器、高清視頻和導(dǎo)軌機(jī)器人等聯(lián)合監(jiān)測，邊緣可視化網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一匯聚傳感數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)實(shí)時(shí)分析視頻圖像，能夠及時(shí)告警和聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域自治。同時(shí)，通過無線公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，數(shù)據(jù)安全加密傳輸?shù)狡脚_(tái)應(yīng)用層，云邊協(xié)作發(fā)揮了數(shù)據(jù)的共享利用和融合管理。此套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境聯(lián)動(dòng)、安防監(jiān)測、安防聯(lián)動(dòng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和視頻巡檢的功能目標(biāo)。

采取物聯(lián)網(wǎng)的層次架構(gòu)，感知層通過末端無線傳感和視頻監(jiān)控?cái)?shù)字化實(shí)時(shí)采集，邊端智能化治理。網(wǎng)絡(luò)層視頻數(shù)據(jù)承載在無線公網(wǎng)5G/4G，傳感數(shù)據(jù)通過硬加密，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)承載在電力無線專網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和安全性。平臺(tái)應(yīng)用層包括可視化平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)和智能輔助應(yīng)用平臺(tái)，采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。

1 建設(shè)方案

系統(tǒng)總體架構(gòu)由配電站房智輔平臺(tái)、站內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、站端系統(tǒng)等部分構(gòu)成。配電站房智輔平臺(tái)面向運(yùn)維人員，實(shí)現(xiàn)配電站房整體運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和巡視，通過信息內(nèi)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)和可視化平臺(tái)獲取傳感數(shù)據(jù)和視頻圖像信息。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)通過站內(nèi)低功耗無線采集傳感和有線以太網(wǎng)采集視頻，站外無線5G和電力專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)窄帶和寬帶業(yè)務(wù)需求。站端系統(tǒng)由傳感器、匯聚節(jié)點(diǎn)、視頻設(shè)備、巡檢機(jī)器人、邊緣網(wǎng)關(guān)組成，共計(jì)22類，其中：(1)傳感器分為：環(huán)境監(jiān)測和聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)站房內(nèi)溫度、濕度、水位或水浸信息、SF6氣體濃度、煙霧濃度等環(huán)境信息的采集，根據(jù)設(shè)定規(guī)則聯(lián)動(dòng)控制空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)節(jié)站房環(huán)境；安防監(jiān)測和聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)站房內(nèi)安防狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在發(fā)生非法入侵的情況下產(chǎn)生告警，聯(lián)動(dòng)控制燈光和門鎖；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對(duì)站房內(nèi)配電變壓器運(yùn)行噪聲、蓄電池狀態(tài)、中壓開關(guān)柜局放等電力設(shè)備信息的采集和告警。(2)匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線傳感器的南向接入和北向傳輸，解決信號(hào)覆蓋盲區(qū)問題。(3)視頻監(jiān)控和巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站房內(nèi)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和指定設(shè)備點(diǎn)位、區(qū)域的圖像分析，遠(yuǎn)程核查告警信息的準(zhǔn)確性并及時(shí)做出合理的檢修方案。(4)邊緣網(wǎng)關(guān)接收站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境信息、安防信息、視頻監(jiān)控等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過區(qū)域自治能力實(shí)現(xiàn)預(yù)警處理和告警聯(lián)動(dòng)控制等，同時(shí)通過雙無線上行分別上送傳感數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，將視頻監(jiān)控信息通上送到可視化平臺(tái)[1]。

根據(jù)配電站類型可以選擇不同配置方案。以基礎(chǔ)型為例，環(huán)境傳感器配置溫濕度傳感器4個(gè)、水浸傳感器3個(gè)、煙霧傳感器2個(gè)、SF6氣體監(jiān)測傳感器4個(gè)，環(huán)境聯(lián)動(dòng)設(shè)備配置風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)裝備2個(gè)、空調(diào)/除濕聯(lián)動(dòng)裝置2個(gè)，安防監(jiān)測終端配置智能門鎖1個(gè)，安防聯(lián)動(dòng)設(shè)備配置燈光聯(lián)動(dòng)裝置1個(gè)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測配置蓄電池監(jiān)測1個(gè)、特高頻局放探測器1個(gè)、變壓器噪聲傳感器1個(gè)，視頻監(jiān)控設(shè)備配置球形攝像頭2個(gè)、槍型攝像頭2個(gè)、NVR視頻錄像機(jī)1個(gè)，無線匯聚節(jié)點(diǎn)1個(gè)，站房網(wǎng)關(guān)1個(gè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LoRa

LoRa(Long Range)作為LPWAN(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù))中較為成熟的一種技術(shù)，具備接收靈敏度高(可達(dá)-140dBm)、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了供電“無源”和通信接口“無線”。LoRa是基于線性調(diào)制擴(kuò)頻(CSS)的一種物理層調(diào)制技術(shù)，可構(gòu)建Mesh、星型、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。幾種LPWAN協(xié)議對(duì)比如表1所示。

表1 LPWAN協(xié)議對(duì)比

LoRa低功耗通過速率自適應(yīng)ADR (Adaptive Data Rate)和信道活動(dòng)監(jiān)測CAD(channel active device)實(shí)現(xiàn)。ADR是一種算法，通過自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路徑來改變通信速率和功率以保障可靠的傳輸，從而提高總體資源的利用率。此外，傳統(tǒng)接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI (Received Signal Strength Indicator)不能有效區(qū)分噪聲還是數(shù)據(jù)信號(hào)，而CAD通過探測擴(kuò)頻序列存在的碼元數(shù)據(jù)，能夠把LoRa信號(hào)從噪聲中區(qū)分出來。例如，在一個(gè)采樣處理周期內(nèi)，通過擴(kuò)頻因子(SF)和擴(kuò)頻帶寬(BW)計(jì)算出碼元的持續(xù)時(shí)長，接收端進(jìn)行周期的喚醒和休眠循環(huán)模式，發(fā)射端通過持續(xù)發(fā)射該周期時(shí)長的喚醒碼以讓接收端在喚醒時(shí)可以探測到擴(kuò)頻碼元。

2.2 5G和1 800 MHz

配用電信息實(shí)時(shí)采集和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延和安全性有著較高要求，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)不僅適用于快速建站，同時(shí)還滿足接入要求，實(shí)現(xiàn)了配用電多業(yè)務(wù)的綜合接入[2]。

5G的增強(qiáng)移動(dòng)帶寬(eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)、大規(guī)模連接通信(mMTC)等特點(diǎn)滿足了數(shù)據(jù)傳輸多樣性的要求，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。大規(guī)模天線技術(shù)是提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)，采用Mini Slot和免授權(quán)調(diào)度傳輸滿足空口傳輸?shù)蜁r(shí)延的要求，無線網(wǎng)絡(luò)的PSM/eDRX技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大連接和低功耗。

電力無線專網(wǎng)承載在1 785～1 805 MHz專用頻段，由電力公司建設(shè)運(yùn)營，采取雙向鑒權(quán)認(rèn)證、安全性激活等安全措施。接入方案在物理上與無線公網(wǎng)隔離保證了電力特定業(yè)務(wù)的需求，同時(shí)TD-LTE技術(shù)滿足接入性能要求。

2.3 通信協(xié)議

傳感器分為單向上報(bào)的微功率傳感器和雙向傳輸?shù)牡凸墓?jié)點(diǎn)傳感器，分別與匯聚節(jié)點(diǎn)或站房網(wǎng)關(guān)之間采取國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議和輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議。其中，微功率無線協(xié)議僅支持短報(bào)文傳輸，CSS物理層工作在470～510 MHz頻段，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；低功耗節(jié)點(diǎn)無線協(xié)議支持長報(bào)文傳輸和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分片重傳，CSS物理層工作在2 400～2 483.5 MHz頻段，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投嗵W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑓f(xié)議棧結(jié)構(gòu)為頂層網(wǎng)絡(luò)層用于端到端的包傳輸交換、中間層為數(shù)據(jù)鏈路層支持從設(shè)備的接入和調(diào)度、底層為物理層負(fù)責(zé)處理比特流的物理傳輸，具有調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換等功能。

視頻監(jiān)控設(shè)備與站房網(wǎng)關(guān)之間通信使用國標(biāo)GB/T28181—2016公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)議，完成信息采集、傳輸、交換、控制、顯示、存儲(chǔ)、處理等功能。

站房網(wǎng)關(guān)與可視化平臺(tái)之間通信協(xié)議使用國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW1517.1—2014電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口中的B接口(SIP-B)，規(guī)定了注冊、資源信息上報(bào)和獲取、歷史查詢、錄像檢索和回看、實(shí)時(shí)視頻調(diào)閱、語音對(duì)講和廣播、云鏡控制、事件訂閱和通知等。

站房網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)之間通信協(xié)議使用MQTT(消息隊(duì)列遙測傳輸)進(jìn)行各類業(yè)務(wù)報(bào)文的接收與發(fā)送、設(shè)備管理和容器管理。設(shè)備管理包括端設(shè)備的接入、刪除、狀態(tài)更新、事件主動(dòng)上報(bào)。容器的管理包括容器和應(yīng)用的創(chuàng)建、刪除、升級(jí)、啟動(dòng)、停止，容器資源如CPU核數(shù)、內(nèi)存、存儲(chǔ)、接口等查詢和配置。MQTT是ISO 標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的輕量級(jí)字節(jié)流消息協(xié)議，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)通信連接。

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)對(duì)外提供API接口，采用HTTPS協(xié)議，接口使用遵循RESTful風(fēng)格API和MQ API。

2.4 容器虛擬化

邊緣網(wǎng)關(guān)采取軟硬件解耦設(shè)計(jì)，硬件平臺(tái)化、功能軟件化。容器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，容器運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，提供軟件應(yīng)用運(yùn)行所需的環(huán)境，一個(gè)容器內(nèi)可以部署多個(gè)應(yīng)用程序及依賴的組件，實(shí)現(xiàn)在不同硬件環(huán)境運(yùn)行同樣的應(yīng)用程序的目的，達(dá)到了功能軟件動(dòng)態(tài)增刪按需安裝的要求。且各容器享有的資源權(quán)限可動(dòng)態(tài)配置，運(yùn)行相互隔離、互不影響。采取開源的應(yīng)用容器引擎Docker，使用C/S架構(gòu)，客戶端和服務(wù)端可以運(yùn)行在一個(gè)機(jī)器上，也可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2.5 智能巡檢

通過嵌入邊端人工智能芯片，利用深度學(xué)習(xí)模型提取特征，依據(jù)現(xiàn)場速度要求進(jìn)行并發(fā)識(shí)別。通過圖片標(biāo)注環(huán)境訓(xùn)練測試，模型檢出率、誤檢率和平均檢出時(shí)間滿足要求。支持4個(gè)場景的識(shí)別功能：對(duì)安全帽佩戴和摘帽行為、區(qū)域入侵、小動(dòng)物入侵的生物識(shí)別，以及作業(yè)人員倒地識(shí)別；支持告警事件、圖片及視頻流截取上送[3]。

3 結(jié)語

系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國網(wǎng)江蘇的智慧配電站房可視化項(xiàng)目，數(shù)字可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中運(yùn)維管理，能夠替代人工不間斷監(jiān)測各站點(diǎn)運(yùn)行情況，發(fā)生故障自動(dòng)預(yù)警聯(lián)動(dòng)控制，遠(yuǎn)程巡視指揮現(xiàn)場消缺，同時(shí)系統(tǒng)可擴(kuò)展升級(jí)，避免重復(fù)投資。系統(tǒng)投入使用以來降低了運(yùn)維成本，提升了運(yùn)維效率，提高了突發(fā)故障處理能力，為配電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)強(qiáng)的保障。在今后的發(fā)展中，引入數(shù)字孿生技術(shù)，更加有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合再生產(chǎn)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)巡視和檢修。